天文学家在宇宙早期发现了83个超大质量黑洞

黑龙江全搜网 2019-10-06

天文学家在宇宙早期发现了83个超大质量黑洞

来自日本、台湾和普林斯顿大学的天文学家发现了83颗由超大质量黑洞提供动力的类星体,这些黑洞形成时宇宙的年龄只有现在的5%。在这里,看到一个艺术家对类星体的印象。一个超大质量的黑洞位于中心,聚集在它上面的物质的引力能以光的形式释放出来。

来自日本、台湾和普林斯顿大学的天文学家在遥远的宇宙中发现了83颗类星体,它们是由超大质量黑洞提供动力的,当时宇宙的年龄还不到现在的10%。

普林斯顿大学天体物理学教授迈克尔施特劳斯(Michael Strauss)是这项研究的共同作者之一。“了解黑洞是如何在早期宇宙中形成的,以及它们有多普遍,对我们的宇宙学模型来说是一个挑战。”

这一发现大大增加了那个时代已知黑洞的数量,并首次揭示了它们在宇宙历史早期是多么普遍。此外,它还提供了关于黑洞对宇宙最初10亿年早期气体物理状态的影响的新见解。这项研究发表在《天体物理学杂志》和日本天文台出版的五篇论文中。

在星系中心发现的超大质量黑洞,其质量可能是太阳的数百万倍甚至数十亿倍。虽然它们在今天很普遍,但尚不清楚它们最初是什么时候形成的,以及在遥远的早期宇宙中存在着多少。当气体聚集到一个超大质量黑洞上时,它就会变得可见,从而使它以类星体的形式发光。以前的研究只对非常罕见的、最明亮的类星体,也就是质量最大的黑洞敏感。这些新发现探测了较弱类星体的数量,这些类星体由质量相当于当今宇宙中大多数黑洞的黑洞提供动力。

天文学家在宇宙早期发现了83个超大质量黑洞

如果把宇宙从大爆炸到现在的历史放在一个足球场上,地球和我们的太阳系要到我们自己的33码线才会出现。生命就在28码线内出现,恐龙在距离球门1码线的中间灭绝了。所有的人类历史,自从原始人第一次从树上爬出来,都发生在离球门线不到一英寸的地方。在这个时间轴上,普林斯顿大学天体物理学家迈克尔·施特劳斯和他的国际团队发现的83个超大质量黑洞将出现在宇宙6码的线上,就在大爆炸之后不久。资料来源:凯尔·麦克南,普林斯顿大学通讯办公室

研究小组使用了安装在位于夏威夷Maunakea山顶的日本国家天文台斯巴鲁望远镜上的尖端仪器“超级Suprime-Cam”(HSC)获取的数据。HSC有一个巨大的视野——1.77度宽,或七倍于整个月球的面积——安装在世界上最大的望远镜之一上。HSC的研究小组在5年的时间里,用300个夜晚的望远镜观测天空。

研究小组从敏感的星状核物质探测数据中选择了遥远的候选类星体。然后,他们进行了一场密集的观测运动,用三架望远镜获得了这些候选者的光谱:斯巴鲁望远镜;西班牙加那利群岛La Palma岛上的Gran Telescopio Canarias;智利的双子南望远镜。这项研究发现了83颗以前不为人知的遥远类星体。加上调查区域已知的17个类星体,研究人员发现,大约每1立方千兆光年就有一个超大质量黑洞。换句话说,如果你把宇宙分成一个假想的立方体,每个立方体的边长为10亿光年,那么每个立方体中就会有一个超大质量黑洞。

这项研究中的类星体样本距离地球约130亿光年;换句话说,我们看到的是130亿年前的样子。由于大爆炸发生在138亿年前,我们实际上是在回顾时间,看到这些类星体和超大质量黑洞,因为它们出现在(已知的)宇宙诞生后大约8亿年。

人们普遍认为,宇宙中的氢曾经是中性的,但在大爆炸后的最初几亿年间,也就是第一代恒星、星系和超大质量黑洞诞生的时候,氢被“重新电离”——分裂成质子和电子的组成部分。这是宇宙历史上的一个里程碑,但天文学家仍然不知道是什么提供了令人难以置信的能量,需要引起再电离。一个令人信服的假设表明,在早期宇宙中,类星体的数量比以前探测到的要多得多,正是它们的综合辐射使宇宙重新电离。

天文学家在宇宙早期发现了83个超大质量黑洞

来自日本、台湾和普林斯顿大学的天文学家在遥远的宇宙中发现了83颗类星体,它们是由超大质量黑洞提供动力的,当时宇宙的年龄还不到现在的10%。在这张由位于Maunakea的斯巴鲁望远镜上的超素数照相机拍摄的照片中,光线来自已知的最遥远的类星体之一,它由一个距离地球130.5亿光年的超大质量黑洞提供动力。该区域内的其他物体大多是我们银河系中的恒星或视线范围内的星系。资料来源:日本国家天文台

“然而,我们观测到的类星体数量表明,情况并非如此,”1985年普林斯顿大学(Princeton university)博士、天体物理学高级研究科学家罗伯特·卢顿(Robert Lupton)解释说。“所看到的类星体数量远不足以解释再电离现象。”因此,再电离是由另一种能量源引起的,很可能是在年轻的宇宙中开始形成的众多星系。

斯巴鲁和HSC具有世界领先的调查能力,使本研究成为可能。“我们发现的类星体将是一个有趣的课题,可以用现有和未来的设施进行进一步的后续观测,”日本爱媛大学(Ehime University)前普林斯顿博士后研究员松冈义木(Yoshiki Matsuoka)说。“我们还将通过将测量到的数量密度和光度分布与理论模型的预测进行比较,了解超大质量黑洞的形成和早期演化。”

基于目前所取得的成果,该团队正期待着发现更远的黑洞,并发现宇宙中第一个超大质量黑洞出现的时间。